[发明专利]一种适用于生物材料的打印喷头

说明书

本发明公开了一种适用于生物材料的打印喷头，包括驱动机构、活塞驱动部件和管状料仓部件，所述驱动机构包括电机、模组架和连接件，所述电机设置在模组架上，能够驱动所述连接件往复运动。所述管状料仓部件包括管状料仓、活塞和喷嘴，所述活塞与所述管状料仓的内腔侧壁过盈配合；所述活塞驱动部件包括活塞杆，所述活塞杆与所述连接件连接；所述活塞杆的自由端能够从所述管状料仓的第一端插入到所述管状料仓的内腔中，并通过所述卡接结构与所述活塞固定。本发明的喷头能够有效降低染菌风险，同时操作简便，能够应用于个性化类器官构建、肝细胞治疗、肿瘤细胞研究等各个领域。

技术领域

本发明属于生物3D打印技术领域，具体涉及一种适于打印微量高黏度生物材料的打印喷头。

背景技术

生物3D打印技术是基于增材制造思想，以活细胞、细胞外基质、生物因子和生物材料为原料，制造例如医疗器械、组织工程支架和组织器官等有生命或无生命的生物学产品的技术。生物3D打印按基本成型单元可以分类为：基于零维的微滴式生物3D打印、基于一维的微丝式生物3D打印和基于二维的平面式生物3D打印。

微滴式生物3D打印的特点是成型精度高、打印速度快和成型结构小巧精密，主要包括微阀式和压电式打印技术。

如图1a所示，微阀式打印的打印原理是将高速电磁阀1001放置在料仓/注射泵1002和喷嘴口1003之间，一次开闭循环可以打印一个微滴。该技术通过调整高速电磁阀1001打开时间和气压大小，可实现对微滴体积、打印速度的控制，打印微滴的体积最小可到纳升级别，打印精度高，并且由于采用非接触式的打印方式，所以打印操作相对简单。

微阀式打印的缺陷在于，可适用的生物墨水粘度较低，最高仅为20mPa·s左右，使用高粘度墨水会造成阀体堵塞；当需要换打印材料时，要对微阀进行彻底的清洗，但微阀由于内部结构复杂难以彻底清洗干净，且适用于生物3D打印的微阀的造价往往很高，轻易不会更换；以及，由于微阀的清洗困难，所以当使用有细胞的生物墨水时，会有较大的染菌风险。

如图1b所示，压电式打印的打印原理是压电管2001受到激励电压后产生收缩和扩张，带动喷嘴玻璃管2002一起振动，并且使得内部墨水产生压力声波。压力波在喷嘴玻璃管2002内部传播，当传播至喷嘴口2003时，将驱使墨水从喷嘴口2003喷出，形成打印操作。压电式打印相比微阀式成本更低，打印精度高，且压电陶瓷不与墨水直接接触，清洗难度降低。

压电式打印的缺陷在于，与微阀式打印类似，可适用的生物墨水粘度较低，最高仅为20mPa·s左右，由于采用压电激励震荡形成微滴，所以在使用高粘度墨水时，激励所产生的能量不足以超过喷射临界值，导致墨水无法被打印出来；由于压电激励所带来的瞬间冲击力，在打印过程中会对细胞造成损伤，使得整体的细胞存活率低于微丝式打印技术；以及，压电式打印喷嘴往往采用毛细玻璃管，这种玻璃管加工工艺要求较高，成本较高，并且玻璃管内部较细，在清洗上也比较困难。

微丝式生物3D打印类似于经典的熔融挤出（FDM）工艺，通过合适的驱动力将材料挤出成丝并进而层层堆积。微丝式打印的优点在于采用固体体积置换原理，从而适合更高粘度的生物墨水，且料仓往往采用一次性注射器，大大降低染菌风险。其最常用的挤出驱动力有气动和活塞两种。气动方式通过控制气压，通过气体推动活塞进行体积置换的形式进行打印。气动式的优点是所提供的推挤力范围较宽，起停节点处控制精准，能有效避免材料流涎。活塞推挤式是通过电机直接带动活塞的运动来推挤生物墨水，通过推杆推动活塞进行体积置换的形式进行打印，活塞推挤式结构简单，操作容易，适合较高粘度的生物墨水打印。

微丝式生物3D打印的缺陷在于，其打印精度较低，最小仅为100微米，难以构建精密的小型结构，相比之下，微滴式打印技术可以实现1-10微米左右的精度；微丝式生物3D打印往往采用与打印平台接触式的打印方式，对于孔径小、高孔深的96或384孔板打印很困难，且平台校准操作难度较大。

发明内容